本文关注于蛋白质设计和结构模拟。围绕着计算生物学在研究蛋白质的结构和功能,理解其作用机理这一核心,我们对蛋白质主链骨架从头设计,蛋白质-配体结合特异性设计,冷冻电子显微镜结构原子结构模型拟合,别构蛋白结构变化路径模拟等几个问题,在不同方面进行了一些研究和探索。对蛋白质主链骨架的设计,是当前蛋白质设计领域一个核心问题,也是很具有挑战性的课题。近年来尽管越来越多成功的例子出现,但从总体上来说,仍然没有一个系统性的解决方案。一个从头设计主链骨架可接受的方式就是开发一套通用的序列无关的能量函数,并在此能量函数下用常规的构象采样和优化技术产生可接受的主链骨架结构。在本文中,我们提出了一个基于统计的能量函数tetraBASE,这是一个在多肽链骨架空间堆积建模的一个统计能量模型。我们用了一个新的表达方式来表达骨架堆积的相互作用,在这里,我们将两个主链骨架位点的堆积,显示的由所考虑位点的局部构象信息所决定。这一表示骨架堆积的能量是取向依赖的,并隐式的包含了氢键的相互作用。我们的这一构想是通过围绕α碳原子的不对称四面体构型来选择性约化几何变量进行统计分析来实现的。对于这一模型,我们进行了两类检验,包括天然蛋白二级结构单元的骨架模型在我们的模型中的稳定性和我们的模型产生的低能结构是否可以重现天然蛋白中的二级结构单元排列特点。将理性设计与实验筛选结合,是当前蛋白质分子改造的一个有效手段。由当前越来越丰富的蛋白质结构信息数据出发,我们可以对蛋白质-蛋白质,蛋白质-小分子等的相互作用机理展开深入的探索,而实验验证则是检验我们对蛋白质功能机理的理论分析是否正确的最好手段。在本文中,我们由已知的结合NADH分子的蛋白质传感器出发,通过大量的结构比对,对其结合位点进行了理性分析,将其改造成为结合NADPH的传感器。我们通过分析NADH和NADPH两类结合蛋白结合口袋氨基酸残基的偏好性,来对两类结合蛋白的结合机理做出合理的推测。我们分析了结合口袋特定位置的疏水性强弱,特定位置的带电残基分布等,来判断两种分子结合的亲和力和特异性。通过结合位点结构比对和分析得到的推测,我们在NADH传感器的基础上设计了若干个可能使其底物特异性发生改变的突变,并通过合作者的实验进行了验证。冷冻电子显微镜技术在近年来有了长足发展,成为生物大分子结构解析的一项有利工具。这一技术产生了大量的数据,需要依靠精细的计算分析来解析其结果,为计算生物学提供了广阔的发展空间。对冷冻电镜解析得到的大分子复合物结构来说,将原子水平的模型匹配拟合到电子密度图中去可能是研究其结构和功能机理的最广泛的方式。在本文中,我们的合作者解析了在DNA损伤信号传导过程中十分关键的ATM/Tell激酶的冷冻电镜结构,我们在此基础上,综合运用了多种结构建模方法,搭建了原子水平的结构模型,并将其动态匹配到了冷冻电镜的电子密度图中去。对于ATM分子这样氨基酸残基数目很多的大分子,我们采用了分而治之的方法,对已有类似同源结构的部分采用了同源建模技术搭建模型,而对缺少同源结构的部分,我们由一级结构序列预测了其二级结构单元和三级结构。我们使用了柔性匹配分子动力学的方法将原子模型与密度图进行拟合,取得了较好的结果。利用分子动力学模拟来研究蛋白质大尺度的结构变化,目前还面临着许多困难,力场精度和时间尺度问题限制了我们用分子动力学模拟来研究这样的稀有事件。然而,对于一些特定的问题,我们可以有一些特别的解决办法。对于初态和终态已知的蛋白质别构调节问题,我们可以通过路径采样的办法,对其机理进行研究。在本文中,我们使用有限温度弦方法（FTS）来研究核糖结合蛋白的结构变化。我们采取了一系列新的方法来保证将FTS方法应用到大分子体系中时弦的平滑性。在集合坐标空间中得到了低自由能的转化路径之后,我们又引入了 EDS方法来验证通过FTS方法得到的路径在高维空间中的合理性。